Тема: Расчет требуемого объема, давления и линейных размеров

[screwfeeder]

Добрый день.
Вопрос, в целом, адресуется Gall'у, но помощь других участников так же приветствуется 

Уважаемый Gall, в теме форума от апреля 2012 года (название темы "Импульсные газовые лазеры. В разработке.") Вами была озвучена следующая энергетическая характеристика углекислого газа:  "500 Дж на литр CO2 при атмосферном давлении".

Вопросы, собственно, следующие:
1. Правильно ли я понимаю что 500 Дж это этакий абсолют, который рассчитан для идеальных условий при нулевых потерях энергии на всех этапах генерации лазерного импульса?
2. Главный вопрос. Допустим для СО2 лазера требуется получить 50 000 Дж, то есть в 100 раз большую энергию. Я вижу три способа решения этой задачи:
- увеличить в 100 раз объем газоразрядной трубки лазера;
- увеличить в 100 раз давление в трубке;
- увеличить одновременно объем и давление, к примеру, в 10 раз объем трубки и в 10 раз парциальное давление СО2;

Последний вариант мне кажется самым перспективным. Мое чутье подсказывает, что если составить систему дифуров, в которых описать зависимость выходной энергии от объема, давления и линейных размеров трубки, то решая численными методами эту систему можно получить оптимальные параметры разрабатываемого лазера. То есть получить оптимальное соотношение "давление - объем - линейные размеры" для газоразрядной трубки.

Прошу Вас высказать свою критику на озвученные мысли.

Спасибо.

[screwfeeder]

Буквально вот сейчас перечитывая Айхлера (книга издательства Техносфера 2008 год) наткнулся на такие данные (стр. 118):

http://pikucha.ru/idLs9

Немного расстроился. Так то 500 Дж куда лучше 50 Дж.
Или я что-то неправильно понял?

[Gall]

Для тех длительностей импульса, о которых там речь, 50 Дж - это ой как много.

Вообще цифра похожа на правду. Посчитаем. В 1 литре газа при атмосферном давлении, как из школьной химии извесно, находится 1/22.4 моля. Умножаем на число Авогадро, получаем 2.7E+22 молекулы. В невероятном, идеальном случае, если каждая молекула испустит по кванту абсолютно без потерь, мы получим 2.7E+22 фотонов, каждый из которых имеет энергию E=hv=0.117 эВ. Переводим в джоули, умножаем на число фотонов, получается как раз 503 Дж. Это - теоретическая, недостижимая, невозможная цифра. Реальность во много раз хуже по двум причинам: 1) никогда не удастся возбудить 100% всех атомов, и 2) даже если удастся, очень много излучения уйдет в стороны в некогерентном виде. (На самом деле при таком адском возбуждении лазер будет "перекачан", запустятся совсем не те процессы, например, суперлюминесценция). Сколько в результате получится, посчитать очень трудно (надо конкретную конструкцию видеть), но по оптимистичным оценкам я бы поделил на 5-10. Примерно так у Айхлеров и написано, 50 Дж/л.

Сразу оговоримся, что речь об атмосферном давлении. При более высоком давлении атомов в единице объема будет пропорционально больше. Например, при 10 атм теоретический предел возрастет уже до 5 кДж. Но при большом давлении могут возникнуть уже совсем другие проблемы.

[screwfeeder]

Уважаемый Gall, спасибо за ответ.

Морально я уже смирился что 500 Дж из литра углекислого газа не выжать  , хотя так хотелось 

Но я хотел бы вернуться именно к расчету конструкции лазера. Ваша фраза в последнем ответе "Сколько в результате получится, посчитать очень трудно (надо конкретную конструкцию видеть)"  в моем понимании породила  замкнутый круг такого типа:

Посчитать конечный результат сложно без реальной конструкции <--->  Создать реальную конструкция с требуемыми характеристиками сложно без расчетов

Видимо придется использовать инженерный подход (научный тык  ): пробная математическая модель, пробная модель "в железе", сравнение результатов, улучшение математической модели, улучшение железа, сравнение результатов и т. д.  и т.п.

Но главный вопрос мой заключается в следующем: уважаемый Gall, какие мероприятия по повышению КПД СО2 лазера Вам кажутся более перспективными? На что уделить особое внимание? Конструкция? Состав смеси? Способы возбуждения?

Спасибо.

[Gall]

Не совсем так. Для расчета по газу нужно выбрать хотя бы габариты. Тогда будет возможность посчитать по скоростным уравнениям.

Повышение КПД лазеров делается всеми способами сразу. Во-первых, оптимальные размеры. Есть некое соотношение между длиной, диаметром и давлением газа, при котором КПД максимален. У Звелто, если мне память не изменяет, был расчет для HeNe, для CO2 расчет аналогичен. (Книги, к сожалению, под рукой сейчас нет). Под давлением понимается парциальное давление CO2. Потом оптимизируется накачка - выбирается необходимое количество балластного газа. (Важно: расчет, дающий 500 Дж, я делал для случая ЧИСТОГО газа, а не смеси, для смеси будет меньше). Все вместе позволит приблизиться к теоретическому пределу. А теоретический предел - это 500 Дж на литр CO2 в пересчете на чистый CO2 при атмосферном давлении. Способ создания плазмы (пропускание тока, ВЧ и т.д.) на КПД самого лазера влияет мало, но от него зависят потери в схемах накачки. Например, мощную накачку простым разрядом трудно сделать из-за перегрева и выгорания электродов, а в мощной индукционной схеме будет сам преобразователь греться.